Fabrication of Multiband MIMO Antenna Based on Ferrite Sheet Fabricated by Aerosol Deposition : Fabrication of Multiband MIMO Antenna Based on Ferrite Sheet Fabricated by Aerosol Deposition|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

최근 정보통신이 발전함에 따라 고주파기기의 핵심부품인 안테나의 소형화 및 광대역화가 요구되고 있다. 소형안테나를 위한 지금까지의 재료개발은 높은 유전율을 가지는 재료에 국한되어 있었다. 그러나 높은 유전율을 가지는 재료는 안테나의 대역폭 감소를 유발하기 때문에 소형화와 광대역화를 동시에 구현하기 어렵다. 최근에는 대역폭의 감소가 나타나지 않는 소형안테나의 구현을 위하여 높은 유전율과 투자율을 동시에 가지는 페라이트에 대한 연구가 진행되고 있다. 스피넬 구조의 Ni-Zn 페라이트는 Sneok 법칙이 적용되기 때문에 고주파대역에서 투자특성이 급격히 감소되어 응용이 불가 능하다.
이에 본 연구에서는 Sneok의 한계를 극복하고 고주파영역에서 적용 가능한 페라이트 재료의 개발을 위하여 육방정계 결정구조를 가지는 Co2Z형 페라이트의 (Ba3Co2Fe24O41세라믹스) 소결온도 및 주파수에 따른 마이크로파 특성을 연구하였다. 또한, 투자특성을 향상시키기 위하여 Co자리에 Cu를 치환하여 조성에 따른 마이크로파 특성을 조사하였다.
다양한 온도에서 소결한 시편들은 주상으로 육방정계의 Z-형 상이 존재하였고 몇몇의 소결온도에서 Y-형과 W-형의 이차상이 나타났다. 또한 Co 자리에 Cu가 치환됨에 따라 주상의 회절각이 저각으로 이동하였다. 모든 세라믹스는 1350℃의 소결온도에서 치밀한 미세구조를 나타냈으며 90% 이상의 상대밀도를 나타내었다. 모든 시편에서 유전율은 소결온도가 증가함에 따라 증가하였고 주파수가 증가함에 따라 감소하였다. 또한 Cu의 첨가량이 증가함에 따라 유전율이 다소 증가하였으며 유전율이 감소하는 주파수도 약 600 MHz로 증가하였다. 유전손실의 경우 소결온도에 따라 감소하였고, 주파수에 따라 증가하였다. Cu의 첨가량에 따라 유전손실의 큰 변화는 나타나지 않았다. Ba3Co2Fe24O41세라믹스의 투자율은 소결온도에 따라 큰 변화를 나타내지 않았으며 약 600 MHz의 주파수 이상에서 급격한 감소를 나타내었다. Ba3Co2-2xCu2xFe24O41세라믹스의 투자율은 소결온도가 증가함에 따라 증가하였으며 주파수에 따라 감소하였다. 또한 Cu가 첨가됨에 따라 투자율과 자기 공진 주파수가 증가하였다. 투자손실은 주파수에 따라 증가하였으며, 소결온도에 따라 큰 변화 없이 비슷한 값을 나타내었다.
다중대역의 MIMO 안테나를 제조하기 위하여 Ba3Co1.2Cu0.8Fe24O41조성의 원료분말을 사용하여 에어로졸 데포지션 법으로 시트를 제조하였다. 또한, 3D 전자기파해석 소프트웨어를 사용하여 안테나의 소형화 및 MIMO 안테나를 설계하였다. 설계된 안테나를 바탕으로 실제 Rear 케이스에 적용된 프로토타입 안테나를 구현하였고, 구현된 안테나는 상용 휴대 단말기 케이스를 기준으로 실험하였다. 제조된 프로토타입 안테나의 Main 안테나는 Cellular, GSM850/900, LTE 5, WCDMA 대역을 만족하였고, Sub 안테나의 경우 LTE 5 Rx 대역을 만족하였다. 안테나 간의 격리도의 경우 LTE 대역에서 최대 15 dB 이상의 격리도를 나타내고 있었다. 앞선 실험결과 제조된 MIMO 안테나는 우수한 안테나 특성을 나타냄을 확인하였고, 데이터 통신 대역 (4G)과 기존의 이동 통신 대역 (3G) 둘다 만족함을 확인하였다

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최근 정보통신이 발전함에 따라 고주파기기의 핵심부품인 안테나의 소형화 및 광대역화가 요구되고 있다. 소형안테나를 위한 지금까지의 재료개발은 높은 유전율을 가지는 재료에 국한되...

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the rapid growth of communications using the microwave frequencies has created a demand for the small and wide-band antenna. Until now, the development of materials for small antenna was restricted to high permittivity materials. However, it is hard to realize of small and wide-band antenna with high permittivity materials because of decrement of band width. Ferrite materials are widely suggested as a small antenna without decreasing of band width. Ni-Zn ferrite are not suitable for RF application caused by Sneok's law which shows rapidly decrements of magnetic properties.
In this thesis, microwave properties with sintering temperature and frequency of the Co2Z type ferrite (Ba3Co2Fe24O41 ceramics) were investigated for high frequency applications. For improvement of magnetic properties, the Co2Z type ferrite with Cu substitution for Co were investigated. Also array antenna with Co2Z type ferrite as substrate were designed and simulated for RF application.
From the XRD patterns of sintered specimens, hexagonal structure of Z-type phase was existed as main phase and secondary phase of Y-type and W-type phase existed at several sintering temperature. Also diffraction peaks of Z-type phase were shifted to lower angle by Cu substituted for Co site. All ceramics sintered at 1350℃ had a dense microstructure and relative density of above 90%. In all specimens, the permittivities were increased with sintering temperature and decreased with frequency. The permittivities were increased with Cu additions. Also, permittivity was decreased rapidly over the frequency of 600 MHz. Loss tangent of permittivities was decreased with sintering temperature and increased frequency. There were no significant variations of loss tangent with Cu additions. The permeability of Ba3Co2Fe24O41 ceramics was not changed with sintering temperature and had a rapid decrement over 210 MHz. The permeability of Ba3Co2-2xCu2xFe24O41 ceramics showed similar behavior to permittivity. The permeability and magnetic resonance frequency were increased with addition of Cu. The loss tangent of permeability was increased with frequency and was not changed with sintering temperature and composition ratio.
In order to fabricate the MIMO antenna, ferrite sheets were fabricated by aerosol deposition using Ba3Co1.2Cu0.8Fe24O41 powder. In addition, i miniaturized and designed the MIMO antenna by 3D electromagnetic simulation. Based on the designed antenna, prototype MIMO antenna was realized and evaluated on the Rear case. the Main antenna in the prototype antenna was satisfied with Cellular, GSM850/900, LTE 5, and WCDMA bands, whereas the Sub antenna was satisfied with LTE 5 Rx band. The isolation factor between the Main and Sub antennas exhibited over 15 dB in LTE band. From above results, it was confirmed that the fabricated MIMO antenna shows superior antenna properties, and this is satisfied with 3G and 4G bands.

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목차 (Table of Contents)

Chapter 1. Introduction 1
Chapter 2. Theory 5
2-1. Ferrite 5
2.1.1. Ba-hexagonal ferrites 5
2-2. Dielectric and magnetic properties of the microwave band 14

Chapter 1. Introduction 1
Chapter 2. Theory 5
2-1. Ferrite 5
2.1.1. Ba-hexagonal ferrites 5
2-2. Dielectric and magnetic properties of the microwave band 14
2.2.1. Dielectric constant in a microwave band 14
2.2.2. The dielectric loss in a microwave band 21
2.2.3. Magnetic material in the microwave band 23
2-3. Permittivity and permeability measurements in the microwave band 35
2-4. Antenna miniaturization using a ferrite 46
2-5. Aerosol deposition process 61
Chapter 3. Experiments 70
3-1. Fabrication of ferrite specimen 70
3.1.1. Structural characteristics measurement 74
3.1.2. Microwave characteristics measurement 75
3-2. Fabrication of ferrite sheet by aerosol deposition 78
3-3. MIMO antenna design and measurement 81
3.3.1. Miniaturized antenna simulation 81
3.3.2. MIMO antenna simulation 83
3.3.3. MIMO antenna measurement 88
Chapter 4. Results and discussion 91
4-1. X- ray diffraction analysis of the Ba3Co2Fe24O41 ceramics 91
4-2. Microstructure of Ba3Co2Fe24O41 ceramics 96
4-3. Sintered and relative density of the Ba3Co2Fe24O41 ceramics 98
4-4. Dielectric and permeability properties of ceramics Ba3Co2Fe24O41 100
4.4.1. Dielectric constant and dielectric loss of ceramics Ba3Co2Fe24O41 100
4.4.2. Permeability and permeability loss Ba3Co2Fe24O41 ceramics 103
4-5. X-ray diffraction analysis of the ceramics Ba3Co2-2xCu2xFe24O41 106
4-6. Microstructure of the ceramic Ba3Co2-2xCu2xFe24O41 (x=0.1~0.5) 112
4-7. Sintered and relative density of the ceramics Ba3Co2-2xCu2xFe24O41 (x=0.1~0.5) 115
4-8. Dielectric and permeability properties of the ceramic Ba3Co2-2xCu2xFe24O41 (x=0.1~0.5) 118
4.8.1. Dielectric constant of the ceramic Ba3Co2-2xCu2xFe24O41 (x=0.1~0.5) 118
4.8.2. Dielectric loss of the ceramic Ba3Co2-2xCu2xFe24O41 (x=0.1~0.5) 123
4.8.3. Permeability of the ceramic Ba3Co2-2xCu2xFe24O41 (x=0.1~0.5) 128
4.8.4. Permeability loss of the ceramic Ba3Co2-2xCu2xFe24O41(x=0.1~0.5) 133
4-9. Fabrication of ferrite sheet by aerosol depositions 138
4-10. Small antenna design by changing the material of the antenna 144
4.10.1. In the case using a dielectric 144
4.10.2. In the case using ferrite 148
4.10.3. In the case using dielectric and ferrite at the same time 151
4-11. Built-in MIMO antennas development using ferrite materials 155
4.11.1. Electromagnetic simulation results 155
4.11.2. Manufacturing prototype antenna made and the measurement results 159
Chapter 5. Conclusion 174
References 179